• كلمة عن الأغشية الحيوية الميكروبية الرقيقة:

بوجه عام، ترتبط الكائنات الدقيقة بالأسطح وتكون الأغشية الحيوية الرقيقة.

والغشاء الحيوي الرقيق هو مجموعة من الخلايا الميكروبية المرتبطة بالأسطح والتي تكوّن مواد البوليمر خارج الخلية، أو ما يعرف اختصارًا بمصفوفة (EPS).

ومن ثم، يتكون الغشاء الحيوي الرقيق من خلايا مميّهة بدرجة كبيرة ومثبتة، تلتصق بطبقة تحتية.

والمتطلبات الأساسية لنمو الغشاء الحيوي الرقيق هي الميكروبات نفسها وطبقة تحتية.

وبالنسبة للبكتيريا، فإن مميزات تكوّن الأغشية الحيوية الرقيقة عديدة:

• الحماية (من المضادات الحيوية والمطهرات والبيئات الديناميكية المتغيرة).
• التواصل بين الخلايا داخل الغشاء الحيوي الرقيق مما يتيح تكيّفًا زمنيًا سريعًا.
• القدرة على البقاء في ظروف نقص الغذاء.

⚡ الميكروبات هي كائنات مجهرية وحيدة الخلية وموجودة في كل مكان. وهي تنتمي لأقدم أشكال الحياة على الأرض وتشمل البكتيريا والفطريات والخمائر والفيروسات (متعددة المقاومة). ⚡

وعلى الرغم من أن هناك العديد من الكائنات الدقيقة المفيدة (مثل تلك المستخدمة في صناعة الجعة والرائب والجبن)، فإن العديد منها غير مرغوب فيه في صناعات وظروف معينة.

والآثار السلبية لنمو الأغشية الحيوية الرقيقة في الصناعة عديدة.

وآليتا الارتباط هي الالتصاق (الارتباط بين الخلايا والمادة) والتماسك (الارتباط بين الخلايا وبعضها).

وتوجد 99% من البكتيريا الموجودة في العالم في صورة أغشية حيوية رقيقة. ويظل القليل منها في صورة معلقة (في حالة بلانكتونية) في السائل.

ومن الأمثلة على تلك الصناعات التي تعاني من الآثار السلبية المترتبة عن الأغشية الحيوية الرقيقة هي:

الملاحة، وصناعات الألبان والأغذية والمشروبات، وأنظمة معالجة المياه، والصناعات النفطية، وصناعات اللب والورق، ومتخصصو البصريات، والمستشفيات (طب الأسنان)، والبرك (المخصصة لصيد الأسماك)، وأبراج التبريد، والفنادق، والمباني العامة، …

ومن الأمثلة على الآثار الضارة الناجمة عن تكون الأغشية الحيوية الرقيقة هي:

المشكلات الصحية، وفساد المنتجات، وانخفاض الكفاءة الإنتاجية، والتآكل، والروائح الكريهة، والمناظر القبيحة، والعدوى، والمرض، وانسداد الأنابيب، وتعطل المعدات، وزيادة استهلاك الطاقة، وما إلى ذلك…

وتعاني صناعات الشحن والصناعات النفطية على الأخص من مشكلات التآكل المتأثر بالأحياء الدقيقة (MIC).
إذ يمكن أن يحدث ذلك بسبب وجود البكتيريا مختزِلة الكبريتات (البكتيريا المنتجة لغاز H2S) في الأنابيب والخزانات. مما ينتج عن ذلك انسداد الأنابيب وتحمّض النفط والتآكل (الميكروبي).

وإلى جانب البكتيريا مختزِلة الكبريتات، هناك أيضًا البكتيريا مؤكسدة الكبريتات والبكتيريا مؤكسدة الحديد والبكتيريا مختزِلة الحديد، وكل نوع منها له خصائصه الضارة.

لمزيد من المعلومات انظر: تأثير الأغشية الحيوية الرقيقة في التآكل

وباستخدام الموجات فوق الصوتية منخفضة القدرة، يمكننا القضاء على نمو الأغشية الحيوية الرقيقة وإزالة القشور والوقاية منها معًا.

وباستخدام الكائنات المجهرية الفعالة أو المعينات الحيوية، يمكننا استنزاف الغشاء الحيوي الرقيق أو تحويله إلى مادة أقل ضررًا، بل يمكن تحويله إلى مادة نافعة.

ومن أمثلة استخدامات مجال المعالجة الحيوية: إزالة الملوثات مثل الصدأ وكربونات الكالسيوم (الجير) والزيوت والشحوم والمركبات النيتروجينية وما إلى ذلك.

•  تكون الأغشية الحيوية الرقيقة

عملية تكون الأغشية الحيوية الرقيقة هي عملية ديناميكية.

وتُحدد أول مراحل تكون الأغشية الحيوية الرقيقة مبدئيًا من خلال:

• البكتيريا الحية المستقلة التي يتعرض لها السطح الصلب
• العمليات الفيزيائية وعمليات الامتزاز الكيميائي والقوى الهيدروديناميكية.
• العضيات خارج الخلية مثل السياط أو ألياف “كورلي” أو الأهداب أو الأشعار البكتيرية
• بروتينات الغشاء الخارجي (التي تساعد على الاحساس بسطح ما والتفاعل معه)

المصدر: Clemencedg IFREMER, 2010

تساعد هذه التفاعلات الخلايا في التغلب على قوى التنافر بعيدة المدى على امتداد السطح. وتعد هذه العملية مهمة لتكون هيكل الغشاء الحيوي الرقيق وتتأثر بسطح الطبقة التحتية (مثل النفور الكهربي من الماء وما إلى ذلك). وفي هذه المرحلة، يمكن إزالة خلايا البكتيريا بسهولة نسبية باستخدام قوى القص، إذ تكون خلايا البكتيريا عالقة وتتحرك حركةً براونيةً. وبعد ذلك، وحالما يتم الارتباط الأولي، تتوقف السياط عن الحركة وتبدأ الخلايا المرتبطة في صنع مواد البوليمر خارج الخلية (EPS). وتؤدي هذه العملية إلى تحول ارتباط البكتيريا من ارتباط انعكاسي إلى ارتباط غير انعكاسي. ويصعب فصل الخلايا المرتبطة ارتباطًا دائمًا بسبب مصفوفة مواد البوليمر خارج الخلية. ثم تنمو هذه التجمعات لتصبح هيكلًا ثلاثي الأبعاد بينما تنضج الأغشية الحيوية الرقيقة بمواد البوليمر خارج الخلية التي تعمل بمثابة “مادة لاصقة”.

فالغشاء الحيوي الرقيق هو غشاء غير متجانس ثلاثي الأبعاد شبيه بالأبراج.

وللأغراض البحثية، يمكن انمائها في جهاز “كالغري” للأغشية الحيوية الرقيقة (CBD) ثم إظهار تركيبها من خلال مجهر التطابق البؤري بالمسح الليزري (CLSM)

وأحد أهم مكونات الغشاء الحيوي الرقيق هو الماء. إذ يؤكد الباحثون أن الماء يشكل ما يزيد عن 80% من الغشاء الحيوي الرقيق.

وتتحرك البكتيريا نحو مواد الأسطح باستخدام الانجذاب الكيميائي للحصول على المغذيات من هناك. ومع ذلك، يصعب على البكتيريا أن أن ترتبط بسطح المادة بسبب بعض العوائق مثل التدفق وظروف السطح وقوى الكهربية الساكنة والنفور من الماء والانجذاب إلى الماء وما إلى ذلك.  ولكن في نهاية المطاف، ترتبط البكتيريا بالمواد. ولفترة من الزمن، تستمر البكتيريا في عمليتي الارتباط والانفصال، وفي النهاية، تبدأ أعداد البكتيريا في الزيادة، مما يتسبب في سيادة عملية الارتباط. وعندما يصل تعداد البكتيريا إلى حد معين، تفرز خلايا البكتيريا عديدات الساكاريد في آن واحد. وتسمى هذه الظاهرة استشعار النصاب. في البداية، ينفصل جزئ بروتين معين (بروتين تأشيري) بالإضافة إلى بروتينات أخرى من جسم كل كائن مجهري (خلية بكتيريا). وتزداد كمية البروتين التأشيري الذي يدعى المحفز الذاتي (AI) مع زيادة عدد خلايا البكتيريا على سطح المادة. ومن ثم، تبلغ كمية المحفز الذاتي قيمة معينة عندما تبلغ أعداد البكتيريا أيضًا قيمة حدية معينة. وعندما يزداد تركيز المحفز الذاتي عن قيمة حدية حرجة، يحفز جزءًا معينًا في الجين (المورِّث)، مما يؤدي إلى إفراز عديدات الساكاريد في آن واحد. فيبدو الأمر حقًا كحوار بين خلايا البكتيريا. ولكنها تستخدم النفاذية الكيميائية في التحاور. وبهذه الطريقة، يتكون متعدد الساكاريد وتبدأ البكتيريا في التواجد في مصفوفة مكونة من متعدد الساكاريد الغروي على سطح المواد. عند هذه النقطة، يكتمل تكون الغشاء الحيوي الرقيق.

ندرك أن وجود البكتيريا في الأغشية الحيوية الرقيقة هو الوضع السائد وينبغي اعتبار الحالة البلانكتونية للبكتريا هي الاستثناء. ولكن في الواقع، أشار بعض الباحثين أن هناك عشرات النقاط المئوية للنمط الظاهري تتغير من الحالة البلانكتونية إلى حالة الأغشية الحيوية الرقيقة. ففي العادة، يبلغ حجم خلية البكتيريا نحو 1 ميكرومتر في الاتجاه الطولي. إلا إنها تميل إلى الانكماش في الغشاء الحيوي الرقيق ليبلغ طولها 60-80% من طولها الأصلي. وبهذه الطريقة، يتبين أن البكتيريا تغير حالة معيشتها، إذ تكيف نفسها للعيش في حالة موفرة للطاقة، حتى تتمكن من البقاء. ويتكون الغشاء الحيوي الرقيق على سطح المادة من العديد من المواد المستمدة من البيئة، مثل المواد المعدنية والمواد العضوية وما إلى ذلك، إلى جانب التفاعل مع الطبقة التحتية. وبهذه الطريقة، ينمو الغشاء الحيوي الرقيق مع مرور الوقت. ويعتمد نمو الغشاء الحيوي الرقيق على العديد من العوامل مثل درجة الحرارة والظروف البيئية الأخرى ونوع الطبقات التحتية وما إلى ذلك. ويعد التدفق بالغ الأهمية على وجه الخصوص. بل إنه أحد أهم العوامل التي تحدد تركيب الغشاء الحيوي الرقيق وخصائصه.

ولا يستمر الغشاء الحيوي الرقيق في النمو للأبد. فعند نقطة ما، يحدث التداعي حتمًا. ويبدو أن هناك العديد من العوامل التي تسهم في انحلال الغشاء الحيوي الرقيق. وما زالت هذه العوامل قيد البحث في الوقت الراهن. وعندما ينحل الغشاء الحيوي الرقيق، تُطلَق خلايا البكتيريا في البيئة مجددًا وتتغير من حالتها “الخاملة” إلى الحالة البلانكتونية مجددًا. وتبدأ في الحركة سعيًا

للغذاء وبحثًا عن أسطح مواد كي ترتبط بها وتنمو. وتتكرر العملية. ومن ثم، يمكن اعتبار الغشاء الحيوي الرقيق أشبه بالمستودع لخلايا البكتيريا البلانكتونية.  وترتبط العديد من الظواهر في علم وهندسة المواد بتكون الغشاء الحيوي الرقيق ونموه. فعلى سبيل المثال، التآكل له علاقة وثيقة بتكون الأغشية الحيوية الرقيقة. وأصبح التآكل المتأثر بالأحياء الدقيقة فرعًا من فروع العلم في أثناء نصف القرن الحالي، وله علاقة وثيقة بتكون الأغشية الحيوية الرقيقة. كما تعد مشكلة نمو القشور على جدران أنابيب التبريد إحدى المشكلات الخطيرة في مجال علم وهندسة المواد.

فلما كانت الجدران الداخلية لأنابيب التبريد توفر ظروفًا ملائمة للنمو، يمكن للغشاء الحيوي الرقيق أن يتكون وينمو بسهولة بالغة.

فبينما يتراكم الحشف الدقيق على سطح المادة، تتكون المواد الغروية والقشور التي تؤثر على قدرة الأنبوب في التبادل الحراري وتقلل منها. مما يؤدي إلى تدهور الأداء الوظيفي في النظام الملوَّث. يمكن اعتبار الأغشية الحيوية الرقيقة أحد الأشكال الأكثر شيوعًا التي تتواجد فيها الكائنات المجهرية في الطبيعة تلقائيًا. والبكتيريا كائنات بسيطة وحيدة الخلية وقادرة على النمو والانقسام والتكييف والاستشعار.

وتؤثر عدة عوامل بيئية خارجية أيضًا على إنتاج مواد البوليمر خارج الخلية والتي تجعل الظروف مواتية لتكون المستعمرات المجهرية مثل:

• الغلوكوز
• قدرة البكتيريا على التنفس اللاهوائي
• التنظيم الفاعل للضغط الأسموزي
• زيادة الحرارة و/أو ضوء الشمس
• الإيثانول
• محدودية تركيزات الحديد
• ،…

ومع ذلك، أظهرت الأبحاث في السنوات الماضية أن البكتيريا ترتبط ارتباطًا تفضيليًا بالعديد من أنواع الأسطح، وأن تجمعات البكتيريا يظهر عليها خصائص وسلوكيات واستراتيجيات بقاء تفوق بكثير قدراتها في صورة خلية بكتيريا فردية. فعلى سبيل المثال، تستطيع الأغشية الحيوية الميكروبية الرقيقة أن تتحمل جرعات من المضادات الحيوية تصل إلى 1000 ضعف القدر الذي يقتل البكتيريا في الحالة البلانكتونية.

إن تكوّن جميع أنواع الأغشية الحيوية الرقيقة يكلف الصناعة المليارات من اليورو سنويًا بسبب:

• فقدان الطاقة (المبادلات الحرارية أو بدن السفينة)
• تلف المعدات (التسريب، الانسداد)
• تلوث المنتجات وفسادها
• العدوى الطبية والمرض. (المشكلات الصحية، مقاومة البكتيريا للمضادات الحيوية)
• تكاليف الصيانة (تكاليف ساعات العمل والمواد)
• تعطل الآلات (تكاليف تشغيلية)
• …